Модели и алгоритмы обработки геоинформации в масштабируемом Банке данный горной промышленности

Краткое описание

Введение... 3

1. Анализ предметной области и постановка задач исследования... 6

1.1 Горная промышленность как объект управления... 6

1.2 Технологии обработки информации в иерархических системах... 15

1.3 Интеграция банков данных... 30

1.4 Применение ГИС-технологий в управлении горным предприятием (горной промышленностью)... 3 8

1.5 Постановка задач исследования... 54

2. Разработка масштабируемого банка данных горной промышленности ... 56

2.1 Принципы обработки пространственной информации... 56

2.2 Особенности построения масштабированного пространственно-атрибутивного банка данных горнопромышленной системы... 62

2.3 Информационная модель масштабируемого банка данных горной

промышленности... 71

Выводы... 90

3. Разработка алгоритмов обработки масштабируемой информации ... 92

3.1 Подсчет запасов полезных ископаемых на базе объектно-ориентированной методологии... 92

3.2 Алгоритмы обработки масштабируемой информации... 119

3.3 Временное масштабирование при моделировании... 124

3.4 Комплексирование объектов с применением ГИС-технологий... 132

Выводы... 148

4. Разработка моделей и методов обработки информации... 150

4.1 Технология масштабированного расчета сметы... 150

4.2 Алгоритм расчета сметных затрат... 171

4.3 Эффективность обработки информации системой с МБнД... 179

Выводы... 182

Заключение... 183

Список литературы... 184
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Современные горнопромышленные комплексы (совокупности производств на определенной территории, предназначенных для разведки, добычи и переработки минерально-сырьевых ресурсов и объединенных единой межотраслевой административно-хозяйственной структурой) - сложные многофакторные образования природного и технологического происхождения. Управление такими комплексами, характеризующимися большими объемами разнородной информации, является сложной задачей, решение которой во многом зависит от методов, моделей и алгоритмов обработки и представления информации.

Эффективность работы большинства крупных компаний, в том числе горнодобывающих, тесно связана с умением управленческого персонала оперативно и качественно обрабатывать большие объемы информации, поступающей из различных источников и используемой для решения как локальных (оперативных), так и корпоративных (стратегических) задач. Для выполнения поставленных задач в таких больших иерархических системах требуется систематизировать разнородную информацию. Поэтому необходимо сформировать единую интегрированную систему сбора, хранения, обработки и передачи пространственно-атрибутивных данных любому лицу и подразделению горнопромышленного комплекса для использования при решении всех задач.

Таким образом, разработка новых, основанных на объектно-ориентированной методологии моделей, методов и алгоритмов обработки пространственно-атрибутивной информации о горных объектах является актуальной задачей.

Целью исследования является повышение эффективности управления горнодобывающими предприятиями за счет своевременной и качественной обработки пространственно-атрибутивной информации с использованием ГИС-технологий.

Идея работы заключается в создании механизма динамической распределенной обработки информации в горнопромышленных системах с использованием объектно-ориентированной методологии.

Объектом исследования являются интегрированные горнопромышленные системы (комплексы) различных уровней иерархии.

Основные научные положения, разработанные соискателем, и их новизна:

1. Разработана архитектура масштабированного банка информации горнопромышленной системы на базе объектно-ориентированной методологии, позволяющего хранить и осуществлять распределенную обработку разнородной пространственно-атрибутивной информации о горно-геологических и горнотехнических элементах системы;

2. Создана масштабированная по уровням иерархии горнопромышленных систем динамическая модель формирования и обработки пространственно-атрибутивной информации, позволяющая унифицировать процессы выбора и использования СОМ-модулей обработки данных при решении технологических и экономико-организационных задач;

3. Предложен метод размещения информации, упрощающий процессы создания и использования моделей-объектов и моделей-процессов при решении производственных задач;

4. Созданы алгоритмы иерархической обработки информации в масштабируемом банке данных горной промышленности, отличающиеся формированием промежуточной, нижнеуровневой и нормативной информации с помощью моделей-объектов непосредственно в процессе технико-экономических расчетов.

Достоверность научных положений, сформулированных в диссертации, подтверждается: корректным использованием методов системного анализа, сопоставимостью результатов тестовых расчетов по разработанным методам и ранее выполненных расчетов по стандартным методикам.

Научная значимость работы заключается в разработке моделей, методов и алгоритмов обработки пространственно-атрибутивной информации на базе объектно-ориентированной методологии.

Методы исследований. В работе использованы методы: системного анализа; объектно-ориентированной методологии разработки и компьютерного моделирования сложных систем на основе информационных технологий; теории вероятностей и математической статистики; ГИС-методы пространственного анализа, хранения, преобразования и отображения пространственно-распределенных данных.

Практическая значимость работы состоит: в разработке моделей, методов и алгоритмов обработки динамической пространственно-атрибутивной информации по горно-геологическим и горно-технологическим объектам нескольких уровней иерархии систем, позволяющих выполнять соответствующие унифицированные расчеты на всех стадиях разведки и эксплуатации месторождений полезных ископаемых.

Апробация работы. Основное содержание работы и ее отдельные положения докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, 2002-2005 гг.), семинарах кафедры АСУ Московского государственного горного университета.

Разработанные модели и алгоритмы обработки геоинформации использованы при создании цифровой модели Воркутинского угольного месторождения.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 70 наименований. Общий объем диссертации составляет 190 страниц, в том числе 37 рисунков и 12 таблиц.

1. АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Горная промышленность как объект управления

По определению [17] горная промышленность — это совокупность отраслей производства, занимающихся разведкой и добычей (горнодобывающая промышленность) полезных ископаемых (ПИ), а также их первичной обработкой и получением полуфабриката (горно-перерабатывающая промышленность).

Горная промышленность состоит из следующих составных частей (про-мышленностей) [6]:

• Топливодобывающая (нефть, газ, уголь, торф, сланец);

• Рудодобывающая (железорудная, цинковая и др. промышленности);

• Горно-химическая (апатит, калийные соли, селитра); '¦ • Гидроминеральная (минеральные подземные воды);

• Промышленность неметаллических ископаемых и местных стройматериалов (мрамор, гранит, асбест и др.).

Согласно Горной энциклопедии [17] в горной промышленности выделяют основные группы отраслей:

• Минерального энергетического сырья (нефтяная, газовая, угольная, урановая промышленности);

• Руд черных и легирующих металлов (железорудная, марганцево-рудная, хромитовая, вольфрамовая, молибденовая промышленности);

• Руд цветных металлов (медная, никелевая, оловянная, свинцово-цинковая, сурьмяная и др. промышленности);

• Нерудного индустриального сырья и строительных материалов (графитовая, асбестовая, гипсовая, кварцевая, известняковая, каолиновая промышленности, а также добыча глины, гранита, доломитов, мергеля, мела полевого шпата);

6

• Драгоценных и поделочных камней (алмазная, малахитовая, янтарная промышленности);

• Горно-химическая (добыча апатита, калийных солей, нефелина, селитры серного колчедана, борной руды, фосфатного сырья).

Так как современная политика в области добычи и переработки ПИ придерживается направления создания комплексных производств, то для исследования интеграции необходимо использовать термин горнопромышленные системы.

По определению [68] «горнопромышленные системы (ГПС) - совокупность производств, предназначенных для разведки, добычи и комплексной многостадийной переработки минерально-сырьевых ресурсов с выпуском конечной продукции различной степени интеграции».

Таким образом, ГПС имеют иерархическую структуру со сложной совокупностью взаимоотношений, распределенной в пространстве и времени.

Исходя из вышеприведенных определений, структуру горной промышленности можно отобразить как иерархию объектов, где нижним уровнем (при рассмотрении угольной промышленности) является «выемочный участок» (при желании масштаб можно увеличить до уровня «пласт», в зависимости от типа решаемой производственной задачи), а верхним - отрасль (рис. 1.1).

Предусматривается использование следующих степеней детализации объектов:

1 - выемочный участок;

2 — панель, столб (этаж);

3 - пласт (блок);

4 - крыло (горизонт);

5 - горизонт (крыло);

6 - шахтное поле;

7 - горный отвод;

Горная промышленность

Руд

цветных металлов

Горнохимическая

ш

Драгоценных и поделочных материалов

Отрасли

Промышленности/ Подотрасли

Подмосковный Бассейны

Месторождения

Шахты

Горизонты

Угольные пласты

Панель, столб, блок

Выемочные участки

00

Рис. 1.1. Структура горной промышленности

8 - месторождение;

9 - 10-бассейн;

10 - отрасль.

Детализацию горной промышленности можно рассматривать с точки зрения трех областей. Первая область детализации предполагает рассмотрение ее как модели состоящей из совокупности отраслей, которые производят, перерабатывают и используют минеральное сырье для производства товаров потребления.

Вторая область детализации — отрасли (машиностроение, черная и цветная металлургия), сопряженные с межотраслевым горнопромышленным комплексом, т.е. имеющие тесные связи по поставкам собственной продукции и по потреблению производственных продуктов.

Третья область детализации включает непосредственно производственные объекты исследуемой области.

Таким образом, масштабирование производственных объектов может протекать по трем уровням детализации: по административно-территориальному, организационному и технологическому принципу. Применительно к угольной промышленности данная детализация показана на рис. 1.2. Приведенная схема детализации приемлема для всех отраслей горной промышленности, отличие заключается лишь в названиях технологических объектов (3 уровень).

Горное предприятие, как составная часть горной промышленности, является сложным многофакторным технологическим комплексом, развивающимся в пространстве в течение длительного времени (до 20-30 лет и более), характеризуется как объект исследования и управления с большими массивами данных [2, 57].

В рамках управления горным предприятием на каждом уровне иерархии используется различная информация. Так, информация с нескольких шахт составляет общую картину о минеральных ресурсах геолого-промышленного

Административно-территориальное деление

Страны Регионы Субъекты Федерации

г—

Организационные объекты

Уровень 1

Отрасль Объединение предприятий (комбинаты, компании) Предприятие Участок Бригада

Технологические объекты

Уровень 2

Бассейны Месторождения Шахтное поле Горизонты Пласты Участки

Уровень 3 |

Рис. 1.2. Производственные объекты угольной промышленности по уровням иерархии

региона, или количественные данные об отработке слоя характеризуют производительность участка.

Эффективность управления горным предприятием, природными ресурсами, органами власти во многом зависит от наличия в их распоряжении обобщенной и актуализированной информации о состоянии недр, природопользовании. Оперативное получение подобной информации крайне необходимо для решения ряда задач, таких, например, как учет полезных ископаемых на конкретном горнодобывающем предприятии, планирование и реализация добычных работ.

Управление горным предприятием зависит от качества информации об объектах, поэтому информация должна быть оперативной и достоверной.

В свою очередь, управление горным предприятием отражается не только на состоянии самого предприятия, но и на состоянии горной промышленности, так как предприятие является составной частью горной промышленности.

Особенностью горного предприятия, в рамках управления, является необходимость работы с пространственными данными (карты, разрезы, планы). Последние требуют использования специальных технологий обработки.

Под технологией обработки информации будем понимать такие операции как хранение, обновление, обмен графической информацией.

Управление горным предприятием является сложной задачей, решение которой зависит также от методов обработки информации и форм ее представления.

Информация, систематизируемая (масштабируемая) по уровням иерархии объектов, будет представляться в виде графических материалов и цифровых данных, что обуславливает необходимость использования новых методов и алгоритмов ее обработки.

Важнейшим системообразующим фактором является агрегирование про-странственно-распределенных данных и решении от уровня к уровню иерархии. В целом же обобщение и комплексирование данных, а также формиро-

11

вание управленческих решений на основе технологий моделирования, методов и алгоритмов обработки пространственно-атрибутивной информации позволяют поддержать системный подход к построению информационных систем, которые помогут органам управления принимать решения.

Сложная система функционирования горного производства включает различные уровни иерархии. Иерархическая структура модели горной промышленности предполагает работу с несколькими уровнями представления информации: месторождения, предприятия, отрасли [69].

В настоящее время потребность информатизации испытывают все без исключения подразделения горнопромышленных комплексов. Независимое применение информационных технологий в подразделениях предприятий уже не может удовлетворить современным требованиям. Важное место сейчас занимает проблема связывания разобщенных технологий в единую информационную структуру, распределенную территориально [11].

При рассмотрении всей совокупности производственных задач, решае- мых с помощью АСУ: подсчет запасов; определение путей, по которым проходит транспорт полезного ископаемого и движение породы, людей, воздуха; осуществляется описание системы выработок; расстановка и обслуживание используемой техники; формирование системы взаимодействия людей в процессе работы, каждая система использует как свою индивидуальную, так и общую (совместную с несколькими другими системами) пространственно-аналитическую информацию.

При решении локальных производственных задач специалисты используют, как правило, эту информацию из своей базы данных. При решении ряда таких в интегрированных АСУ зачастую приходится хранить однородную информацию, по-разному выраженную («упакованную») для пользователей, из различных служб (отделов). При этом одна и та же информация может обрабатываться разными способами и методами для получения почти схожих результатов. Для решения круга производственных задач в системах разных уровней иерархии одну и ту же информацию приходится заново собирать,

12

проверять, корректировать, хранить. При объединении локальных систем в интегрированные АСУ встает острая проблема преобразования нескольких локальных БД в одну интегрированную БД. Ее решение необходимо проводить с учетом ряда требований.

Во-первых, необходимо соблюдать правило однократного ввода единичного объема информации, используемой различными подсистемами (приложениями) в системах реального времени.

Во-вторых, современные интегральные автоматизированные системы управления являются сложными открытыми системами, которые должны обеспечивать возможность использования имеющихся данных новыми, дополнительно вводимыми (присоединяемыми) подсистемами.

В-третьих, возможная модернизация одной или нескольких подсистем таких интегральных АСУ в процессе ее эволюционного развития может потребовать изменения вида, порядка и частоты передачи исходных данных в эти подсистемы из интегральной БД.

В-четвертых, в интегральных АСУ иерархической архитектуры подсистемы разных уровней иерархии зачастую используют одинаковые по сути (названию) показатели, но имеющие различный содержательный смысл.

Интегральные АСУ горнопромышленных систем имеют следующие особенности: подавляющее большинство подсистем работают с пространственными данными; координацию пространственных решений отдельных подсистем осуществляют с помощью единой цифровой модели месторождения (полной или в пределах горного отвода предприятия) ПИ; особую значимость имеют подсистемы промышленной безопасности.

Поэтому целесообразно иметь один иерархический (масштабируемый) банк данных, в котором будет сосредотачиваться данные в виде объектов (модулей), из которых затем будет генерироваться информационная модель для каждого пользователя в нужном виде.

Решением этой проблемы является создание банков данных (БнД) - систем централизованного хранения и коллективного использования информа-

13

ции, в состав которых входят одна или несколько баз данных, библиотеки запросов и прикладные программы. Такие банки называются корпоративными системами [66].

На уровне производственных объединений из результатов геологоразведочных и добычных работ появляется информация по уточнению геологического строения области или региона, а также экономическая информация.

На этом уровне формируются банки данных по площадям, структурам, месторождениям, ресурсам, запасам, геолого-экономическим характеристикам проведенных работ.

Как правило, деятельность производственного объединения не охватывает целиком весь регион, поэтому на уровне региона должен формироваться региональный БнД, интегрирующий результаты работ различных объединений. В данном БнД накапливается результативная геолого-экономическая информация, необходимая для дальнейшего проведения работ и использования при уточнении геологических и добычных задач все более крупного масштаба. Накопленная информация служит основным источником для планирования и управления производством в регионе.

На отраслевом и межотраслевом уровне формируются БнД различного функционального назначения.

14

1.2. Технологии обработки информации в иерархических системах

Информационная политика России во всех видах производственной деятельности (в том числе и горнодобывающей) разрабатывается и реализуется на следующих пяти уровнях, организованных и взаимодействующих в горизонтальных разрезах (территориально-распределенные связи) и вертикальных (иерархические связи соподчиненности): индивидуальном, отдельного хозяйствующего субъекта, региональном, отраслевом, государственном (федеральном) [11].

Так, например, разрабатываемый государственный банк цифровой геологической информации (ГБЦГИ) будет представлять собой межотраслевую интегрированную многоуровневую территориально-распределенную систему, структура которой будет включать четыре иерархических уровня: федеральный, региональный, территориальный и локальный [58].

При этом на федеральном уровне банк должен в первую очередь обеспечить информационные потребности центральных органов власти и управления. Он должен включать ГлавНИВЦ, специализированные ИКЦ, в которых создаются и поддерживаются в актуальном состоянии информационные ресурсы федерального значения - центральный (в ГлавНИВЦе) и специализированные (в СпецИКЦ) в виде баз и банков цифровой геологической информации.

На региональном уровне (регион включает ряд территорий субъектов Федерации) в ИКЦ поддерживаются в актуальном состоянии банки и базы данных сводной цифровой геоинформации по регионам и первые экземпляры первичной и обобщенной (отчеты и публикации) информации в уплотненной форме на машинных носителях для информационного обеспечения органов власти и управления государственным фондом недр по ресурсам крупных геологических структур (провинций).

15

На территориальном уровне для обеспечения информационных потребностей территориальных органов управления, геологических комитетов и недропользователей в субъектах Федерации создаются территориальные ИКЦ.

На локальном уровне в производственных организациях должны быть созданы вычислительные компьютерные центры (пункты) и (или) автоматизированные рабочие места (АРМ) для первичной обработки и интерпретации полевых материалов, обобщения и анализа цифровых данных по районам работ организаций, для обеспечения первичной обработки фактографических материалов, создания локальных баз данных, формирования и представления в региональные и специализированные ИКЦ в стандартных форматах первичных и обработанных данных по геологическому изучению недр, минеральным ресурсам и недропользованию.

Государственный банк цифровой геологической информации (ГБЦГИ) привлекателен тем, что имеет иерархическую структуру, чем упрощает представление и обработку геологической информации. Однако, мета-база геологической информации, реализованная в СУБД Access, затрудняет обработку информации внешними модулями, так как данная СУБД не предполагает иерархический принцип построения системы, то есть система будет состоять из ряда локальных баз, слабо связанных между собой. Мета-база реализованная в данном приложении имеет емкость всего лишь 35000 записей, что для хранения графической информации слишком мало. При этом существует необходимость постоянного поддержания банка в актуальном состоянии на всех уровнях иерархии, т.е. отсутствует автоматическое обновление информации по иерархическому принципу «снизу-вверх». Информация, передаваемая с одного уровня иерархии на другой, имеет неподготовленный, необработанный вид. То есть на верхний уровень информация передается в виде «слепка» базы данных нижнего уровня. Таким образом, функции обработки информации нижнего уровня возлагаются на базу данных верхнего уровня. Данная система имеет слабую проработку методического и организационно-

16

го обеспечения. При этом система не имеет практической реализации, поскольку находится в разработке.

Таким образом, необходимо чтобы система позволяла автоматически обновлять информацию в банке по многоуровневому иерархическому принципу, а также она должна быть рационально организована.

Похожее структурирование информации принято и в глобальной (мировой) геоинформационной системе «Экстремум», используемой в МЧС для решения задач прогнозирования стихийных бедствий, таких как наводнения, пожары, землетрясения и т.д. [67]. Данная система является аналитическим и информационным обеспечением решения задач по защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, для оценки последствий опасных явлений природного и техногенного характера, подготовки эффективных сценариев реагирования на федеральном, региональном и областном (краевом и республиканском) уровнях.

При внедрении автоматизированной информационной системы государственного земельного кадастра республики Казахстан (АИС ГЗК) [3] была внедрена вертикальная иерархическая структура, способствующая внедрению, наполнению и сопровождению АИС ГЗК. Уровнями данной иерархии являются районный, областной, республиканский. Республиканский уровень системы представлен Республиканским Центром (РЦ АИС ГЗК), на который возложена функция сохранения живучести системы. На данном уровне выполняются следующие функции: обучение специалистов областей республики; свод данных из областных центров в Республиканское хранилище; внедрение и сопровождение подсистем областей; разработка методических и инструктивных материалов по АИС ГЗК.

На областном уровне, который представлен группой Областных Центров, решаются следующие задачи: прием и формирование данных из Районных Центров; прием и свод данных и передача их в Республиканский Центр; внедрение и сопровождение подсистем Районных центров.

17

Список литературы